Первый полёт ХP-82 состоялся 15 апреля 1945 года. Испытания показали, что истребитель, как минимум, не уступал по лётным характеристикам P-51D. Максимальная скорость машины составляла 748 км/ч на высоте 6400 м, а дальность полёта превышала 3200 км. Модификация ХP-82А не нашла воплощения в металле. Её предполагалось оснастить моторами «Аллисон V-1710-1195» с винтами, вращающимися в одном направлении. Когда война закончилась, заказ на серийное производство P-82 сократили с 500 до 20 самолётов. Восемнадцать из них завершили в варианте P-62В, очень близком по конструкции к прототипу. Ещё две машины изготовили в варианте ночных истребителей P-82С и D, с радаром, располагавшемся в обтекателе под центральной частью крыла. В огромном контейнере, далеко выступавшем за переднюю кромку крыла, на P-82С размещался радар SCR-720, а на P-82D установили широко применявшийся APS-4.
На всех последующих вариантах «Твин Мустанга» устанавливались двигатели фирмы «Аллисон».
P-82Е представлял собой «воскрешенный» P-82А с моторами «Аллисон V-1710-143/145», развивавшими мощность 2250 л.с. при 3200 об/мин., что позволяло самолёту развивать максимальную скорость 748 км/ч. P-82Е, получивший в 1948 году новое обозначение F-82E, был дальним истребителем сопровождения. На узлах подвески под консолями крыла он мог нести четыре подвесных топливных бака, резко увеличивающих дальность полёта, или ракеты, бомбы и баки с напалмом, а под центропланом мог подвешиваться контейнер с восемью 12,7-мм пулемётами. Первые серийные самолёты были переданы 27-й группе истребителей сопровождения SAC (Стратегического Авиационного Командования) в марте 1948 года. Она занималась сопровождением бомбардировщиков В-29. В-50 и В-36 SAC до лета 1950 года, когда их заменили реактивными истребителями F-84Е «Тандерджет». Всего было поставлено сто F-82E.
Модификации F-82F, G u H представляли собой ночные истребители или, как их стали классифицировать позднее, всепогодные перехватчики, и несли под центропланом огромный контейнер с радиолокационной станцией. На F-82F устанавливали радар AN/APG 28, а на F-82G u H ставили SCR-72C (такая же РЛС имелась на истребителе P-61 «Блэк Уидоу»). На всех трёх модификациях правую кабину переоборудовали в место оператора РЛС, позволив, правда, ему управлять самолётом в случае необходимости. Все эти самолёты красились в стандартный для ночных истребителей блестящий черный цвет. F-82H отличался от G только тем, что его системы «утеплили» для использования в арктических условиях. Построили 91 F-82F и 59 F-82G, из последних восемнадцать машин в дальнейшем переделали в F-82H.
Когда 25 июня 1950 года началась война в Корее, некоторое количество F-82G базировалось на аэродромах в Японии. По приказу президента Трумэна об отражении нападения северокорейских агрессоров F-82G из 4-й, 68-й и 339-й эскадрилий всепогодных истребителей одними из первых вступили в бой. Получив приказ атаковать любого, кто попытается воспрепятствовать эвакуации американских граждан из Кореи, F-82G из 68-й эскадрильи перехватили около полудня 27 нюня 1950 года группу северокорейских «Яков» над авиабазой Кимпо. Лейтенанты Уильям Хадсон (пики) и Карл Фрезер (оператор радара) сбили один из «Яков», одержав первую воздушную победу в Корее. «Твин Мустанги» вели ночное патрулирование и занимались поддержкой войск до середины войны, когда их постигла судьба всех винтовых истребителей того времени — на смену пришли реактивные машины. F-82G постепенно сняли с вооружения, заменив их на F-94В «Старфайер». По стечению обстоятельств, F-82G оказались последними винтовыми истребителями, заказанными для ВВС США. Когда последний F-82G сошел со сборочной линии, производство «Мустангов» завершилось.
